JP5558095B2 - Turbine blade cascade and steam turbine - Google Patents
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Description
本発明は、蒸気タービンのタービン動翼翼列に係り、特に、タービン段落の低圧段に備えられるタービン動翼翼列および、このタービン動翼翼列を備えた蒸気タービンに関する。 The present invention relates to a turbine blade cascade of a steam turbine, and more particularly, to a turbine blade cascade provided in a low pressure stage of a turbine stage and a steam turbine including the turbine blade cascade.
近年、蒸気タービンの高出力化、高効率化が進むにつれて、蒸気タービンの最終段落を通過する蒸気の流量が増加する傾向にある。作動流体である蒸気を効果的に膨張させるためには、蒸気タービンの低圧部における動翼を長翼化し、環状面積を増加させる必要がある。しかしながら、動翼の長翼化は、遠心応力の増加および固有振動数の低下を招くことになる。 In recent years, the flow rate of steam passing through the final stage of the steam turbine tends to increase as the output and efficiency of the steam turbine increase. In order to effectively expand the steam that is the working fluid, it is necessary to lengthen the blades in the low-pressure part of the steam turbine and increase the annular area. However, an increase in the length of a moving blade leads to an increase in centrifugal stress and a decrease in natural frequency.
遠心応力の増加は、例えば、翼断面積の最適な分布、翼材料の高強度化や軽量化により抑制することができる。また、振動特性については、例えば、動翼の長翼化により出現する動翼または動翼群の多様な固有値が運転周波数に対して十分に離調するように動翼の構造を工夫することで対応している。 The increase in centrifugal stress can be suppressed, for example, by optimal distribution of the blade cross-sectional area, high strength and light weight of the blade material. As for vibration characteristics, for example, by devising the structure of the moving blades so that various eigenvalues of the moving blades or blade groups appearing due to the longer blades are sufficiently detuned from the operating frequency. It corresponds.
長翼を単独翼として配備すると、固有値が、多様なモードと周波数に存在するため、離調し難くなる。そのため、動翼の先端部に突起部を設け、隣接する動翼と接触させること、または動翼の先端部に連結部品を用いることで、環状全周の動翼を一群化する対応がなされることが多い。さらに、動翼の翼根元部から先端にかけたスパンの中間部に、先端部と同様の構造を設けて、振動特性を改善する技術が公開されている(例えば、特許文献1−2参照。)。 When a long wing is deployed as a single wing, eigenvalues exist in various modes and frequencies, and therefore it becomes difficult to detune. For this reason, a protrusion is provided at the tip of the moving blade and brought into contact with the adjacent moving blade, or a connecting part is used at the tip of the moving blade, thereby making it possible to group the moving blades on the entire circumference of the ring. There are many cases. Furthermore, a technique for improving vibration characteristics by providing a structure similar to the tip at the intermediate portion of the span from the blade root to the tip of the rotor blade is disclosed (for example, see Patent Document 1-2). .
ここで、特に、動翼のスパン中間部に連結構造を備える場合、本来、空気力学的な損失を極力抑制するように設計されたタービン動翼翼列の形状が大きく変形、または動翼間の流路中に抵抗要素が設置されることになる。そのため、蒸気タービンの段落性能を低下させる要因となることは自明であり、この性能低下を抑制することが蒸気タービンの高効率化を図るための課題となっている。 Here, in particular, when a connecting structure is provided in the middle span of the rotor blade, the shape of the turbine rotor blade cascade originally designed to suppress aerodynamic losses as much as possible is greatly deformed, or the flow between the rotor blades. Resistance elements will be installed in the road. Therefore, it is obvious that it becomes a factor which reduces the stage performance of a steam turbine, and suppressing this performance fall is a subject for achieving high efficiency of a steam turbine.
これに対して、材料比重に対する強度、いわゆる比強度が大きいチタンを動翼の材料とした流体機械において、中間連結部材を質量および立体的寸法の小さいピン形状として、応力低減と流体抵抗の低減を図った技術が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。また、ファン動翼において、中間連結部材を翼形状として、空気力学的な損失の低減を図った技術が開示されている(例えば、特許文献4参照。)。さらに、蒸気タービンの動翼において、中間連結部材を流線形として、空気力学的な損失の低減を図った技術が開示されている(例えば、特許文献5参照。)。 On the other hand, in a fluid machine using titanium, which has high strength against material specific gravity, so-called specific strength, as the material of the moving blade, the intermediate connecting member has a pin shape with a small mass and three-dimensional dimensions to reduce stress and fluid resistance. The technique which was aimed at is disclosed (for example, refer patent document 3). Further, a technology has been disclosed in which fan connecting blades have a blade shape as an intermediate connecting member to reduce aerodynamic loss (see, for example, Patent Document 4). Furthermore, in a moving blade of a steam turbine, a technique is disclosed in which an intermediate connecting member is streamlined to reduce aerodynamic loss (see, for example, Patent Document 5).
ここで、図21Aは、従来の蒸気タービンの動翼300の腹面側を示す平面図である。また、図21Bは、図21Aに示された動翼300から構成されたタービン動翼翼列を半径方向外側から見たときの平面図である。図21Cは、図21BのV1−V1断面を示す図である。なお、ここで示された従来のタービン動翼翼列は、特許文献5に示された、中間連結部材を流線形状として、空気力学的な損失の低減を図ったものである。
Here, FIG. 21A is a plan view showing a ventral surface side of a moving
図22Aは、円柱形状の中間連結部材310を備えた従来のタービン動翼翼列における中間連結部材310の周囲の流れを説明するための図である。図22Bは、図22AのV2−V2断面における損失領域を説明するための図である。図23Aは、流線形状の中間連結部材301を備えた従来のタービン動翼翼列における中間連結部材301の周囲の流れを説明するための図である。図23Bは、図23AのV3−V3断面における損失領域を説明するための図である。なお、図22Bおよび図23Bは、それぞれの断面において流れを下流側から観察したときの損失領域が示されている。また、図22Bおよび図23Bに示された、上下方向に延びる2本の直線は、動翼の後縁300aを示している。
FIG. 22A is a view for explaining the flow around the
図21Aに示す動翼300には、図21Bに示すように、動翼300の背側および腹側に中間連結部材301が設けられている。この中間連結部材301の断面は、図21Cに示すように、流線形状となっている。
In the
ここで、図22Bおよび図23Bを比較すると、円柱形状の中間連結部材301の後流には、その上下に発生する双子渦による高損失域320が大きく広がっている。これに対して、流線形状の中間連結部材301の後流では、円柱形状の中間連結部材301の場合よりも高損失域320が縮小し、低損失域321は、動翼300間に広範囲に存在している。このことより、流線形状の中間連結部材301は、空気力学的な損失の低減に寄与していることがわかる。しかしながら、高損失域320は、完全に消滅しておらず、依然として損失改善の余地があることを示している。
Here, when FIG. 22B and FIG. 23B are compared, a
ここで損失発生域を詳細に観察すると、流線形状の中間連結部材301を備えた動翼300において、流線形状の中間連結部材301が接続される、動翼300の背側300b側に偏っていることがわかる。これは、動翼300の背側300bにおいて発達する境界層が中間連結部材301の前縁部を横切る際、低エネルギ領域が巻き上がることに起因するものと考えられる。これはタービン動翼翼列間に発生する馬蹄渦と類似したものと理解され、流れに対して凸面が続く背側面での境界層の発達と融合して渦が発達することで、高損失域が拡大するものと考えられる。数値解析などの試算により、こうした損失は、段落効率を数%低下させる場合もあることがわかっている。例えば、蒸気タービンにおける、長翼の動翼を備えるタービン段落において、蒸気タービン全体に対する出力分担割合が10%以上となることを考慮すれば、このような段落性能の低下は、無視できるものではない。
Here, when the loss generation area is observed in detail, in the moving
上記したように、例えば、長翼となる動翼の振動特性を改善するために、中間連結部材を備えることは、動翼間を流れる蒸気の流路抵抗となり、空力性能の低下をもたらす。 As described above, for example, in order to improve the vibration characteristics of a moving blade that is a long blade, provision of an intermediate connecting member results in a flow path resistance of steam flowing between the moving blades, resulting in a decrease in aerodynamic performance.
これを抑制するために、例えば、中間連結部材の立体的寸法を縮小することは、翼ねじれ戻り力に対する断面係数の不足により、中間連結部材もしくは中間連結部材と動翼との接続部において座屈変形や折損のリスクが高まる。また、中間連結部材の形状を流線形に構成する場合、部材強度を確保しつつ流線形としたときでも、高損失域の消滅には至らない状況にある。 In order to suppress this, for example, reducing the three-dimensional dimension of the intermediate connecting member is a buckling at the intermediate connecting member or the connecting portion between the intermediate connecting member and the moving blade due to a lack of section modulus with respect to the blade torsion return force. Increased risk of deformation and breakage. Further, when the shape of the intermediate connecting member is configured to be a streamline, even if the member is made streamlined while ensuring the strength of the member, the high loss region does not disappear.
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、中間連結部材の動翼間における配置位置や中間連結部材の断面形状を適正化することで、動翼間における空気力学的な損失を低減することができるタービン動翼翼列および蒸気タービンを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and by optimizing the arrangement position of the intermediate connecting member between the moving blades and the cross-sectional shape of the intermediate connecting member, the aerodynamics between the moving blades is improved. It is an object of the present invention to provide a turbine rotor cascade and a steam turbine capable of reducing a significant loss.
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、翼背面に突設された背側連結部材と翼腹面に突設された腹側連結部材を備える複数の動翼がタービンロータの周方向に植設され、前記動翼が回転する際、隣接する動翼の前記背側連結部材と前記腹側連結部材とによって中間連結部材を構成するタービン動翼翼列において、前記中間連結部材の下流側端縁が、前記動翼間に形成される流路のスロート部よりも上流側に位置し、前記背側連結部材が、前記動翼の前縁から後縁に向けて、前記動翼の翼背面に沿って形成されていることを特徴とするタービン動翼翼列が提供される。 In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, a plurality of rotor blades including a back side connecting member projecting on the back surface of a blade and an abdominal side connecting member projecting on the blade abdominal surface of the turbine rotor are provided. In the turbine rotor blade cascade that forms an intermediate connecting member by the back side connecting member and the ventral side connecting member of the adjacent moving blades when planted in the circumferential direction and the rotating blades rotate, A downstream end edge is located upstream of a throat portion of a flow path formed between the moving blades , and the back-side connecting member faces the leading edge from the moving blade toward the trailing edge. A turbine blade cascade that is formed along the back surface of the blade is provided.
また、本発明の一態様によれば、上記したタービン動翼翼列を備えたことを特徴とする蒸気タービンが提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a steam turbine including the above-described turbine rotor blade cascade.
本発明のタービン動翼翼列および蒸気タービンによれば、中間連結部材の動翼間における配置位置や中間連結部材の断面形状を適正化することで、動翼間における空気力学的な損失を低減することができる。 According to the turbine rotor blade cascade and the steam turbine of the present invention, the aerodynamic loss between the rotor blades is reduced by optimizing the arrangement position of the intermediate connecting member between the rotor blades and the cross-sectional shape of the intermediate connecting member. be able to.
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼翼列10を構成する動翼20の斜視図である。図2は、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼翼列10を図1に示されたW1−W1断面で示した図である。
FIG. 1 is a perspective view of a moving
図1および図2に示すように、タービン動翼翼列10は、翼背面21に突設された背側連結部材22と翼腹面23に突設された腹側連結部材24とを備える複数の動翼20が、タービンロータ(図示しない)の周方向に植設されて構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the turbine
また、図2に示すように、動翼20が回転する際、隣接する動翼20の背側連結部材22と腹側連結部材24とが当接して中間連結部材30を構成する。なお、背側連結部材22および腹側連結部材24の当接面の形状は、同じ形状に構成される。
Further, as shown in FIG. 2, when the moving
また、中間連結部材30は、空力損失を抑制するために、翼型形状などの流線形状に構成することが好ましい。また、この構成を備えるタービン動翼翼列10は、例えば、振動特性の改善が要求されるタービン動翼における長翼部に適用することが好適である。
In addition, the intermediate connecting
ここで、中間連結部材30を備えたタービン動翼翼列10における一般的な作動流体の流れについて説明する。
Here, a general flow of the working fluid in the
図3は、中間連結部材30を備えたタービン動翼翼列10を上流側から見たときの動翼20間の流れを示す図である。図4は、動翼20の一般的な翼面速度分布を示す図である。図5は、一般的な中間連結部材の下流における高損失領域を説明するための図である。
FIG. 3 is a view showing the flow between the moving
図3に示すように、タービン動翼翼列10に流入する作動流体が、中間連結部材30を回り込んで通過する際に、後流渦40を形成する。また、動翼面における境界層では、動翼面上で速度が0となり、境界層の上層部で主流速度となり、大きな渦度を有する翼腹側境界層41、翼背側境界層42が中間連結部材30を取り巻いて通過する。これによって、中間連結部材30の下流に馬蹄渦43を形成する。
As shown in FIG. 3, when the working fluid flowing into the
後流渦40と馬蹄渦43は、融合して発達するが、翼背側と翼腹側では発達度が異なる。タービン動翼翼列10において、図2に示すように、動翼20の翼背面21の曲率は、翼腹面23の曲率に比べて大きい。そのため、動翼20の翼背面21では、境界層が発達しやすく、流れの剥離が生じやすい。
The
次に、動翼20における翼面速度分布を図4を参照して説明する。なお、図4に示されたVA、VBについては、後に説明する。図4に示すように、動翼20の前縁25から後縁26にかけての流速変化は、翼背側では、スロートSの下流まで加速した後、減速している。一方、翼腹側では、後縁26がスロートSとなるため、単調に加速を続ける。そのため、後流渦40と馬蹄渦43は、翼背側では減速域を通過することで発達が助長されるのに対し、翼腹側では常に加速域にあることで発達が抑制される。
Next, the blade surface speed distribution in the moving
ここで、スロートSは、動翼20間において、作動流体が流れる流路面積が最小となる流路断面を意味する。例えば、図2に示した断面において、スロートSは、動翼20の後縁26から、隣接する動翼20の翼背面21までの距離が最短となる幅を有している。このスロート幅は、断面位置によっても異なる。図2において、スロートSを説明の便宜上矢印で示している(以下において同じ)。
Here, the throat S means a channel cross section where the channel area through which the working fluid flows is minimized between the
このような翼背側と翼腹側における流れ場の相違によって、一般的な中間連結部材30aにおいては、図5に示すように、中間連結部材30aの下流に発達する渦領域は偏り、翼背側に発達した高損失領域44を形成する。
Due to the difference in the flow field between the blade back side and the blade belly side, as shown in FIG. 5, the vortex region developed downstream of the
そこで、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼翼列10では、図2に示すように、中間連結部材30の下流側端縁32が、スロートSよりも上流側、すなわち、動翼20の前縁側に位置するように中間連結部材30を構成している。図2において、中間連結部材30の下流側端縁32が動翼20の翼背面21と交わる点をA、中間連結部材30の下流側端縁32が動翼20の翼腹面23と交わる点をB、中間連結部材30の上流側端縁31が動翼20の翼背面21と交わる点をC、中間連結部材30の上流側端縁31が動翼20の翼腹面23と交わる点をDで示している。
Therefore, in the turbine
なお、中間連結部材30を翼型形状で構成する場合、下流側端縁32は、後縁に相当し、上流側端縁31は、前縁に相当する。また、ここでは、スロートSは、図2に示すように、動翼20の後縁26から隣接する動翼20の翼背面21に亘る領域に形成されている。
When the intermediate connecting
ここで、図4には、一実施の形態のタービン動翼翼列10における、中間連結部材30の下流側端縁32が動翼20の翼背面21と交わる点Aでの流速VA、および中間連結部材30の下流側端縁32が動翼20の翼腹面23と交わる点Bでの流速VBを示している。図4に示すように、点A、点Bの位置は、加速域内に存在する。
Here, in FIG. 4, in the turbine
このように、中間連結部材30の下流側端縁32が、スロートSよりも上流側に位置することで、動翼20の翼背側においても、中間連結部材30の下流側端縁32を加速域に存在させることができる。これによって、中間連結部材30の下流に発達する渦の発達を抑制することができる。さらに、図5に示すような、一般的な中間連結部材30aの下流の翼背側に形成される高損失領域44を抑制することができる。
As described above, the
また、図2に示すように、動翼20の背側連結部材22は、動翼20の前縁25から後縁に向けて、動翼20の翼背面に沿って形成されることが好ましい。ここで、中間連結部材30の上流側端縁31が動翼20の翼背面21と交わる点Cは、動翼20の前縁25である。
As shown in FIG. 2, the back
ここで、動翼20が回転する際、中間連結部材30には、圧縮応力や曲げ応力がかかり、これらの応力に耐え得るために、例えば、動翼20の翼背面21と背側連結部材22との境界面における背側連結部材22の断面積は大きい方が好ましい。また、この断面積を大きくする際、点Aから点Cまでの距離(以下、コード長ACという)を最大として、流れに沿った方向の背側連結部材22の長さに対する背側連結部材22の厚さを最小化することが、空力損失を低減する観点から好ましい。一方、動翼20の翼背面21にける点Aは、スロートSよりも上流側に位置するように構成される。そこで、上記したように、点Cを動翼20の前縁25とすることで、コード長ACの最大化を図ることができる。
Here, when the moving
ここで、中間連結部材30の、翼背面21から翼腹面23までの断面形状は、一定である必要はない。例えば、腹側連結部材24が形成される、点Bから点Dまでの距離(以下、コード長BDという)をコード長ACと等しくすることで、強度不足となるような場合には、コード長BDがコード長ACよりも長くなるように、腹側連結部材24を形成してもよい。なお、この場合においても、前述したように、背側連結部材22および腹側連結部材24の当接面の形状は、同じ形状に構成される。
Here, the cross-sectional shape of the intermediate connecting
ここで、図6および図7には、コード長BDがコード長ACよりも長くなるように、背側連結部材22および腹側連結部材24を形成した場合における、動翼面との境界面における断面形状の一例を示している。なお、ここでは、中間連結部材30の形状を翼形形状としている。また、これらの連結部材において、背側連結部材22は、腹側連結部材24に向かって、腹側連結部材24は、背側連結部材22に向かって、それぞれの断面形状が連続的に変化するように形成されている。
Here, in FIG. 6 and FIG. 7, at the boundary surface with the moving blade surface when the back
図6は、背側連結部材22および腹側連結部材24の動翼面との境界面における断面積を等しくした場合の一例である。この構成の場合には、翼腹面23との境界面における腹側連結部材24の厚さを薄くすることができるため、翼腹側における空力損失の低減を図ることができる。
FIG. 6 shows an example in which the cross-sectional areas of the boundary surfaces of the back
図7は、背側連結部材22および腹側連結部材24の動翼面との境界面における最大厚さを等しくした場合の一例である。この構成の場合において、前縁から後縁までの距離(コード長)に対する、最大厚さを示す前縁からの距離の比を小さくすることができるため、中間連結部材30の翼形状に起因するプロファイル損失の低減を図ることができる。なお、この理由については後述する。
FIG. 7 shows an example in which the maximum thicknesses at the boundary surfaces of the back
(中間連結部材30の他の形状)
ここで、中間連結部材30の形状は、図2に示された形状に限られるものではなく、他の形状としてもよい。
(Other shapes of the intermediate connecting member 30)
Here, the shape of the intermediate connecting
図8は、タービン動翼翼列を構成する長翼からなる動翼間の、比較的半径方向外側の位置における典型的な等流速線を示す図である。図9および図10は、異なる中間連結部材30の形状を、図1に示されたW1−W1断面に対応する断面で示した図である。
FIG. 8 is a diagram showing typical isovelocity lines at positions relatively outside in the radial direction between rotor blades composed of long blades constituting the turbine rotor blade cascade. 9 and 10 are views showing the shapes of different intermediate connecting
図8に示すように、翼腹側では上流から下流へ等流速線の間隔が疎であり、加速が穏やかであるのに対し、翼背側では等流速線の間隔が密であり、加速が急である。そのため、等流速線は、翼腹側から翼背側にかけて湾曲している。 As shown in FIG. 8, the isovelocity lines are sparse from upstream to downstream on the flank side and the acceleration is moderate, whereas the isovelocity lines are close on the wing back side, and the acceleration is It is steep. Therefore, the equivelocity line is curved from the blade belly side to the blade back side.
図9に示した中間連結部材30は、中間連結部材30の下流側端縁32の形状を等流速線に沿った形状とし、翼背側において上流側に湾曲した形状としている。この場合、点Aと点Bを結んだ直線よりも下流側に、中間連結部材30の下流側端縁32が突出している。なお、この場合においても、中間連結部材30の下流側端縁32は、スロートSよりも上流側に位置している。
The intermediate connecting
このように、中間連結部材30を構成することで、中間連結部材30の表面における、翼腹側から翼背側への2次流れを抑制することができ、中間連結部材30の下流に形成される後流渦40や馬蹄渦43などの発達を抑制することができる。
In this way, by configuring the intermediate connecting
図10に示した中間連結部材30は、図9に示した中間連結部材30と同様に、中間連結部材30の下流側端縁32の形状を等流速線に沿った形状とするとともに、中間連結部材30の上流側端縁31の形状を等流速線に沿った形状としている。この場合、点Cと点Dを結んだ直線よりも上流側に、中間連結部材30の上流側端縁31が突出している。
The intermediate connecting
このような中間連結部材30の構造は、例えば、背側連結部材22と腹側連結部材24とを当接させる際の強度確保のために、当接面の面積の拡大が必要な場合に好適な構造である。また、中間連結部材30の上流側端縁31が本来の翼列間の円滑な流体加速に与える擾乱を最小限に抑えることができるため、空力損失などによる性能の悪化を抑制することができる。
Such a structure of the intermediate connecting
(中間連結部材30の断面形状)
ここでは、中間連結部材30の断面形状について説明する。
(Cross-sectional shape of the intermediate connecting member 30)
Here, the cross-sectional shape of the intermediate connecting
図11は、図2のW2−W2断面において、中間連結部材30の最大厚さ(Tmax)の位置を示す図である。図11の横軸は、中間連結部材30の上流側端縁31(前縁)から下流側端縁32(後縁)までの距離(コード長)Cに対する、中間連結部材30の厚さが最大となる前縁からの距離Lの比(L/C)を示している。
FIG. 11 is a diagram illustrating the position of the maximum thickness (Tmax) of the
図11に示すように、中間連結部材30は、前縁から後縁にかけての所定の範囲の位置に、最大厚さ(Tmax)を有し、流体抵抗を抑制する流線形状に形成されている。また、中間連結部材30が最大厚さ(Tmax)を有する所定の範囲は、L/Cが0.4以下となる位置とすることが好ましい。
As shown in FIG. 11, the intermediate connecting
次に、L/Cが0.4以下となる位置に中間連結部材30の最大厚さ(Tmax)が存在するように中間連結部材30を構成することが好適な理由を説明する。
Next, the reason why it is preferable to configure the
図12は、中間連結部材30の最大厚さ(Tmax)の位置とプロファイル損失の関係を示す図である。図12の横軸は、図11の横軸と同様に、中間連結部材30の上流側端縁31から下流側端縁32までの距離(コード長)Cに対する、中間連結部材30の厚さが最大となる前縁からの距離Lの比(L/C)を示している。なお、図12に示したプロファイル損失は、数値流体解析によって得られた結果である。また、図12において、L/Cが0.2となる場合のプロファイル損失を基準としている。
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the position of the maximum thickness (Tmax) of the intermediate connecting
図12に示すように、プロファイル損失は、L/Cが0.4を超えると急激に増加する。ここで、L/Cが大きくなると、図11に示す、後縁における中間連結部材30の一方の表面と他方の表面間の角度ε(以下、楔角度εという)が増加する。
As shown in FIG. 12, the profile loss increases rapidly when L / C exceeds 0.4. Here, when L / C increases, an angle ε (hereinafter referred to as a wedge angle ε) between one surface and the other surface of the intermediate connecting
この結果から、L/Cが0.4を超える位置に中間連結部材30の最大厚さ(Tmax)が存在すると、L/Cが0.4よりも上流側(最大厚さ(Tmax)となる上流側)では、作動流体は、中間連結部材30の表面に沿って流れるが、その下流側では、楔角度εが増加するため、翼厚さの急激な減少と曲率の変化に流れが追従できなくなり、剥離が生じ、プロファイル損失が急激に増加するものと考えられる。
From this result, when the maximum thickness (Tmax) of the intermediate connecting
また、翼厚さの急激な減少を抑制するために、後縁の厚さを厚くして楔角度εを減少させることも考えられるが、後縁の後流のウェーク幅を拡大するため効果的ではない。 In order to suppress the sudden decrease in blade thickness, it is conceivable to increase the trailing edge thickness to reduce the wedge angle ε, but it is effective to increase the wake width of the trailing edge wake. is not.
そこで、中間連結部材30は、L/Cが0.4以下となる位置に中間連結部材30の最大厚さ(Tmax)が存在するように構成されている。
Therefore, the intermediate connecting
(中間連結部材30の形成角度)
ここでは、動翼20の翼面に中間連結部材30を形成する際の形成角度について説明する。
(Formation angle of the intermediate connecting member 30)
Here, the formation angle when forming the
図13は、タービンロータの中心軸に沿った断面である子午面における、所定のタービン段落を構成するタービン静翼翼列およびタービン動翼翼列を示す図である。図14および図15は、中間連結部材30の上流側端縁31におけるキャンバー線Qの接線Mと、タービンロータの中心軸方向に平行な直線Nとのなす角度δを説明するための、上流側端縁31から下流側端縁32に亘る中間連結部材30の断面を示す図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating a turbine stationary blade cascade and a turbine rotor cascade that constitute a predetermined turbine stage on a meridian plane that is a cross section along the central axis of the turbine rotor. 14 and 15 illustrate an upstream side for explaining an angle δ formed by a tangent line M of the camber line Q at the
図13において、中間連結部材30の上流側端縁31におけるキャンバー線の接線Mと、タービンロータの中心軸方向に平行な直線Nとのなす角度をδとしている。なお、図14および図15に示すように、キャンバー線Qは、中間連結部材30の形状により異なるものとなる。
In FIG. 13, the angle formed by the tangent line M of the camber line at the
また、図13に示すように、動翼20と同じタービン段落を構成する静翼50の前縁51とこの静翼50を固定するダイヤフラム内輪52との交点Eと、動翼20の前縁25とこの動翼20を植設するロータディスク60との交点Gとを通る直線を直線Oとし、この直線Oとタービンロータの中心軸方向に平行な直線Nとのなす角度をθ1としている。さらに、静翼50の前縁51とこの静翼50を固定するダイヤフラム外輪53との交点Fと、動翼20の先端における前縁Hとを通る直線を直線Pとし、この直線Pとタービンロータの中心軸方向に平行な直線Nとのなす角度をθ2としている。
As shown in FIG. 13, the intersection E between the
このとき、次の式(1)の関係を満たすように、中間連結部材30が動翼20の翼面に形成されている。
(θ1+θ2)/2−30 ≦ δ ≦ (θ1+θ2)/2+30 …式(1)
At this time, the
(Θ1 + θ2) / 2-30 ≦ δ ≦ (θ1 + θ2) / 2 + 30 (1)
次に、式(1)の関係を満たすように、中間連結部材30が動翼20の翼面に形成されることが好適な理由を説明する。図16は、中間連結部材30への作動流体の入射角αとインシデンス損失の関係を示す図である。なお、作動流体の入射角αとインシデンス損失の関係は、数値流体解析により得られたものである。
Next, the reason why the intermediate connecting
蒸気タービンにおいて、長翼となる動翼を備えるタービン段落では、作動流体の膨張割合に応じて流路環状面積の拡大率を増加し、図13に示すように、流路を構成する内外周壁を傾斜を有する形状とすることが多い。この場合、適切な空力設計がなされていれば、流れは、内外周壁面に沿って流れる。一方、流路の拡大率が増加するに伴い、形状に追従しない流れとなることもある。 In a turbine stage having a moving blade that is a long blade in a steam turbine, the expansion ratio of the annular area of the flow path is increased in accordance with the expansion ratio of the working fluid, and as shown in FIG. In many cases, the shape is inclined. In this case, if an appropriate aerodynamic design is made, the flow flows along the inner and outer peripheral wall surfaces. On the other hand, as the flow rate enlargement rate increases, the flow may not follow the shape.
また、入射角αとインシデンス損失の関係においては、図16に示すように、入射角αが30°を超えると、インシデンス損失は、急激に増加する。そのため、設計流入角からのずれが±30°の範囲となるように、中間連結部材30が動翼20の翼面に形成されていることが好ましい。すなわち、設計流入角である、流路を構成する内外周壁の平均傾斜((θ1+θ2)/2)からのずれが±30°の範囲となるように、角度δを定めることが好ましい。
Further, in the relationship between the incident angle α and the incident loss, as shown in FIG. 16, when the incident angle α exceeds 30 °, the incident loss increases rapidly. Therefore, it is preferable that the
(中間連結部材30の配置)
上記において、例えば図1に示すように、中間連結部材30を構成する背側連結部材22および腹側連結部材24は、動翼20の翼背面21または翼腹面23の、タービンロータの中心軸からの半径方向の距離(以下、半径位置という)が同じ位置から形成される一例を示したが、この構成に限られるものではない。ここでは、背側連結部材22および腹側連結部材24が、動翼20の翼背面21または翼腹面23の異なる半径位置から形成される一例を示す。
(Arrangement of the intermediate connecting member 30)
In the above, for example, as shown in FIG. 1, the back
図17は、背側連結部材22および腹側連結部材24が、動翼20の翼背面21または翼腹面23の異なる半径位置から形成される場合の、タービン動翼翼列10を上流側から見たときの平面図である。図18は、図17に示された中間連結部材30を半径方向の外側から見たときの平面図である。
FIG. 17 shows the turbine
なお、図18には、中間連結部材30の形成位置を明確にするため、背側連結部材22および腹側連結部材24が形成されるそれぞれの半径位置における動翼20a、20bの断面を重ね合わせた図を付加している。また、図18において、背側連結部材22の下流側端縁が動翼20の翼背面21と交わる点をA2、腹側連結部材24の下流側端縁が動翼20の翼腹面23と交わる点をB1、背側連結部材22の上流側端縁が動翼20の翼背面21と交わる点をC2、腹側連結部材24の上流側端縁が動翼20の翼腹面23と交わる点をD1で示している。また、スロートS1は、動翼20aにおけるスロートであり、スロートS2は、動翼20bにおけるスロートである。
In FIG. 18, in order to clarify the formation position of the
図17に示すように、腹側連結部材24は、腹側連結部材24の前縁が半径位置Rpに形成され、腹側連結部材24は、背側連結部材22の方向に所定の傾きを有して形成されている。一方、背側連結部材22の前縁が半径位置Rsに形成され、背側連結部材22は、腹側連結部材24の方向に所定の傾きを有して形成されている。そして、動翼20が回転した際、背側連結部材22および腹側連結部材24の当接面がそれぞれ当接するように構成されている。
As shown in FIG. 17, the ventral connecting
また、図18に示すように、中間連結部材30は、点A2、点B1、点D1および点C2を結ぶ形状に構成されている。
Moreover, as shown in FIG. 18, the intermediate |
ここで、半径位置Rpにおける動翼20aの形状では、半径位置Rpより小さい半径位置Rsにおける動翼20bの形状に比べて、前縁(点C1)からスロートS1(動翼20aにおけるスロート)までの距離が短くなることが多い。そのため、例えば、動翼20a間で中間連結部材30を、点A1(この場合において、背側連結部材22の下流側端縁が動翼20の翼背面21と交わる点)、点B1、点D1および点C1を結ぶ形状(図18において破線で示した形状)に構成すると、点A1はスロートS1より下流側に位置するため、中間連結部材30の下流側端縁32の一部がスロートS1より下流側に位置することになる。そのため、前述した、中間連結部材30の下流に発達する渦の発達を抑制する効果が低減することもある。
Here, in the shape of the moving
そこで、上述した、図17に示す中間連結部材30のように、中間連結部材30を、点A2、点B1、点D1および点C2を結ぶ形状に構成することで、中間連結部材30の下流側端縁32をスロートS1、S2よりも上流側に位置させることができる。そのため、前述した、中間連結部材30の下流に発達する渦の発達を抑制する効果が得られる。
Therefore, like the intermediate connecting
(中間連結部材30の他の構造)
上記した中間連結部材30においては、動翼20が回転した際、背側連結部材22および腹側連結部材24の当接面が、翼ねじれ戻りによりそれぞれ当接するように構成された中間連結部材30の一例を示したが、この構成に限られるものではない。
(Other structures of the intermediate connecting member 30)
In the above-described intermediate connecting
図19は、他の構造の中間連結部材30を備えるタービン動翼翼列10を半径方向の外側から見たときの平面図である。図20は、図19のW3−W3断面を示す図である。なお、図19では、動翼20の先端構造の一部を省略して示している。
FIG. 19 is a plan view of the turbine
図19および図20に示すように、中間連結部材30を、座部70、71およびスリーブ72からなる連結構造で構成してもよい。
As shown in FIGS. 19 and 20, the
図19および図20に示すように、背側連結部材22および腹側連結部材24が一対の座部70、71で構成されている。この座部70、71には、突起部70a、71aが形成されている。さらに、互いに隣接する一対の座部70、71の突起部70a、71aは、筒状のスリーブ72で連結されている。
As shown in FIGS. 19 and 20, the back
なお、上記した連結構造以外の他の構成は、上記した中間連結部材30の構成と同様の構成を備える。
Other configurations other than the above-described connection structure have the same configuration as that of the above-described
この連結構造を備えたタービン動翼翼列10では、動翼20が回転して遠心力が発生すると、座部70、71の突起部70a、71aとスリーブ72との面接触に基づく摩擦力により動翼20の振動を抑制、減衰させることができる。また、連結構造以外の他の構成は、上記した中間連結部材30の構成と同様の構成を備えるため、上記した中間連結部材30の作用効果と同様の作用効果も得ることができる。
In the turbine
以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。 Although the present invention has been specifically described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
10…タービン動翼翼列、20,20a,20b…動翼、21…翼背面、22…背側連結部材、23…翼腹面、24…腹側連結部材、25、51…前縁、26…後縁、30…中間連結部材、31…上流側端縁、32…下流側端縁、40…後流渦、41…翼腹側境界層、42…翼背側境界層、43…馬蹄渦、44…高損失領域、50…静翼、52…ダイヤフラム内輪、53…ダイヤフラム外輪、60…ロータディスク、70,71…座部、70a,71a…突起部、72…スリーブ、S,S1,S2…スロート。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記中間連結部材の下流側端縁が、前記動翼間に形成される流路のスロート部よりも上流側に位置し、
前記背側連結部材が、前記動翼の前縁から後縁に向けて、前記動翼の翼背面に沿って形成されていることを特徴とするタービン動翼翼列。 A plurality of rotor blades including a back side connecting member protruding from the blade back surface and a ventral side connecting member protruding from the blade abdominal surface are implanted in the circumferential direction of the turbine rotor, and adjacent to each other when the blade rotates. In the turbine rotor blade cascade that constitutes the intermediate connecting member by the back side connecting member and the ventral side connecting member of the rotor blade,
A downstream edge of the intermediate connecting member is located upstream of a throat portion of a flow path formed between the rotor blades ;
The turbine rotor blade cascade according to claim 1, wherein the back side connecting member is formed along a rear surface of the rotor blade from a front edge to a rear edge of the rotor blade .
前記中間連結部材の前縁におけるキャンバー線の接線と、タービンロータの中心軸方向に平行な直線とのなす角度をδ(度)、
前記動翼と同じタービン段落を構成する静翼の前縁と当該静翼を固定するダイヤフラム内輪との交点と前記動翼の前縁と当該動翼を植設するロータディスクとの交点とを通る直線と、前記タービンロータの中心軸方向に平行な直線とのなす角度をθ1(度)、および
前記静翼の前縁と前記静翼を固定するダイヤフラム外輪との交点と前記動翼の先端における前縁とを通る直線と、前記タービンロータの中心軸方向に平行な直線とのなす角度をθ2(度)としたとき、
(θ1+θ2)/2−30 ≦ δ ≦ (θ1+θ2)/2+30
の関係を満たすことを特徴とする請求項7または8記載のタービン動翼翼列。 In the meridian plane which is a cross section along the central axis of the turbine rotor,
An angle between a tangent line of the camber line at the front edge of the intermediate connecting member and a straight line parallel to the central axis direction of the turbine rotor is δ (degrees),
Passes through the intersection of the leading edge of the stationary blade that constitutes the same turbine stage as the moving blade and the inner ring of the diaphragm that fixes the stationary blade, and the intersection of the leading edge of the moving blade and the rotor disk in which the moving blade is implanted. An angle formed by a straight line and a straight line parallel to the central axis direction of the turbine rotor is θ1 (degrees), and
An angle formed by a straight line passing through the intersection of the leading edge of the stationary blade and the diaphragm outer ring that fixes the stationary blade and the leading edge at the tip of the moving blade and a straight line parallel to the central axis direction of the turbine rotor is θ2 (Degrees)
(Θ1 + θ2) / 2-30 ≦ δ ≦ (θ1 + θ2) / 2 + 30
The turbine blade cascade according to claim 7 or 8, wherein the following relationship is satisfied .
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